地基望远镜主镜支撑性能分析

　　0 引 言

　　现代天文和军事技术的发展，要求望远镜要不断的提高集光能力以观测更暗，更小，更遥远的星体和航天器。因此各国竞相研制大口径的望远镜和光电系统。主镜作为大型望远镜的关键部件之一，其面型精度直接决定了望远镜的成像质量。对于米级的大口径望远镜主镜，除了加工误差和自身重力变形外，复杂的主镜室组件(包含主镜室及其主镜支撑系统)将会产生附加的镜面面型误差。特别是随着望远镜指向俯仰角的不同，其底支撑和侧支撑综合作用在主镜上，使得镜子面型随之而变化，给主镜支撑系统的设计带来困难[1]。国内外对大口径主镜的支撑做过很多研究。在确定主镜底支撑和侧支撑点的个数以及位置等参数时，常常以一个裸镜进行分析，直接在镜子背面或侧面相关节点处约束，以此结果作为支撑结构设计的标准[2-6]。但在确定了支撑方式以及支撑结构基本形式之后，为了检验支撑结构对于主镜支撑效果的好坏程度，只以单个裸镜的分析结果就不再令人信服。就必须对整个主镜室组件进行系统的有限元分析计算。

　　本文详细介绍了某望远镜的主镜支撑系统，通过对各部分之间的连接和运动关系的研究，建立了详细，准确的有限元模型，并在主镜检测状态下进行了分析计算，得出了支撑系统对主镜变形的影响。

　　1 望远镜主镜支撑组件的基本结构

　　该望远镜主镜为微晶玻璃材料的双曲面镜，其外径为 1 230 mm，通光口径 1 200 mm。根据望远镜光学系统中的设计指标要求，通过设计和优化分析初步确定出主镜的底支撑和侧支撑结构。在支撑设计中，应尽可能减小主镜在自重下的变形，并尽量不将结构(主镜室)的变形传递到主镜上。解决这一问题的最好方法就是采用浮动支撑，如杠杆平衡重支撑和液压支撑等。对于该主镜，底支撑采用是 whiffle-tree 轴向支撑。经过优化，用分布在两个同心圆上的 18 个支撑垫被动支撑，18 点组成无定向三角板浮动支撑结构。主镜指向天顶时，主镜完全由这 18 个浮动点支撑。侧支撑来限制主镜的径向位移。该望远镜采用传统的杠杆平衡重推拉支撑系统，中心孔芯轴定位，外边缘采用六个杠杆平衡重机构进行侧向均匀承重。在主镜处于不同仰角时，通过该机构对重力进行卸载。该主镜支撑系统的优点是仅将主镜室变形中的平移和倾斜分量传递到主镜上，只会引起主镜的平移和倾斜刚体位移，这并不影响成像质量，只会引起望远镜的指向准确度误差。底支撑和侧支撑结构如图1，主镜室组件系统如图2 所示。

　　2 有限元仿真分析